JP7155967B2 - 光路シフトデバイスおよび画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光路シフトデバイスおよび画像表示装置に関する。

特許文献１には、液晶パネル等の光変調装置から出射された映像光の光路をずらす光路シフトデバイスを備えた画像表示装置が開示される。特許文献１の画像表示装置では、光路シフトデバイスは、投射される画像の解像度を光変調装置の解像度よりも高くするために用いられる。特許文献１の光路シフトデバイス（光学デバイス）は、ガラス板、およびガラス板を保持する保持部材を備えた可動部と、可動部を支持する支持部と、可動部と支持部とを接続する１対の軸部と、可動部を揺動させる駆動機構とを有する。特許文献１の光路シフトデバイスは、一対の軸部を通る揺動軸を中心として保持部材を揺動させてガラス板の姿勢を変化させることにより、ガラス板に入射した映像光を屈折させ、光路をずらすことができる。

特許文献１の光路シフトデバイスでは、ガラス板の対角方向に延びる揺動軸を中心としてガラス板を揺動させる。これにより、映像光の光路をスクリーン上に表示される画素の対角方向にシフトさせて、画像表示位置を画素の対角方向へずらすことができる。従って、画像表示位置のずらし量を１画素分より小さくして、見かけ上の画素を増加させることができる。従って、スクリーンに投影される画像を高解像度化することができる。

特開２０１６－１４２８６３号公報

特許文献１の光路シフトデバイスでは、ガラス板の揺動方向は１方向のみであるため、映像光は１方向のみにシフトする。映像光のシフトによって見かけ上の画素を増加させてさらなる高解像度化を図るためには、複数の方向へ映像光をずらすことを可能にすることが望ましい。

本発明に係る光路シフトデバイスは、入射光が入射する光学部材と、前記光学部材を保持する第１フレームと、前記第１フレームを第１揺動軸周りに揺動可能な状態で支持する第２フレームと、前記第２フレームを前記第１揺動軸と交差する第２揺動軸周りに揺動可能な状態で支持するベース部材と、前記第１フレームを前記第１揺動軸周りに揺動させる第１アクチュエーターと、前記第２フレームを前記第２揺動軸周りに揺動させる第２アクチュエーターと、を備え、前記第１フレームおよび前記第２フレームを揺動させることによって、前記光学部材への前記入射光の入射角度を変化させて、前記入射光の光路を第１方向および前記第１方向と交差する第２方向にずらすことを特徴とする。

本発明に係る画像表示装置は、映像光の光路に配置された上記の光路シフトデバイスを備え、前記第１アクチュエーターおよび前記第２アクチュエーターを駆動して前記映像光の光路を変化させることを特徴とする。

本実施形態に係る画像表示装置の一例であるプロジェクターの光学的な構成を示す説明図である。 映像光の光路シフトによる画像表示位置のシフトを示す説明図である。 図１のプロジェクターの電気的な構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る光路シフトデバイスの斜視図である。 図４の光路シフトデバイスの平面図および側面図である。 図４の光路シフトデバイスを第１アクチュエーターの位置（図５のＡ１－Ａ１位置）で切断した断面図およびその部分拡大図である。 図４の光路シフトデバイスを第２アクチュエーターの位置（図５のＢ１－Ｂ１位置）で切断した断面図およびその部分拡大図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。本明細書において、説明の便宜上、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、Ｘ軸方向の一方側を＋Ｘ方向、他方側を－Ｘ方向とする。また、Ｙ軸方向の一方側を＋Ｙ方向、他方側を－Ｙ方向とし、Ｚ軸方向の一方側を＋Ｚ方向、他方側を－Ｚ方向とする。

＜プロジェクター（画像表示装置）＞
図１は、本実施形態に係る画像表示装置の一例であるプロジェクターの光学的な構成を示す説明図である。図１に示すプロジェクター１は、ＬＣＤ方式のプロジェクターである。プロジェクター１は、外部から入力される映像信号に基づき、スクリーン１０１に映像を表示する装置である。プロジェクター１は、光源１０２と、ミラー１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃと、ダイクロイックミラー１０６ａ、１０６ｂと、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂと、ダイクロイックプリズム１１０と、光路シフトデバイス２と、投射光学系１１２とを備える。

光源１０２としては、例えば、ハロゲンランプ、水銀ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー光源等が挙げられる。また、光源１０２としては、白色光が出射するものが用いられる。光源１０２から出射された光は、例えば、ダイクロイックミラー１０６ａによって赤色光（Ｒ）とその他の光とに分離される。赤色光は、ミラー１０４ａで反射された後、液晶表示素子１０８Ｒに入射し、その他の光は、ダイクロイックミラー１０６ｂによってさらに緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）とに分離される。緑色光は、液晶表示素子１０８Ｇに入射し、青色光は、ミラー１０４ｂ、１０４ｃで反射された後、液晶表示素子１０８Ｂに入射する。

液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは、それぞれ、空間光変調器（光変調装置）として用いられる。これらの液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは、それぞれＲ、Ｇ、Ｂの原色に対応する透過型の空間光変調器（光変調装置）であり、例えば縦１０８０行、横１９２０列のマトリクス状に配列した画素を備える。各画素では、入射光に対する透過光の光量が調整され、各液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂにおいて全画素の光量分布が協調制御される。このような液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂによってそれぞれ空間的に変調された光は、ダイクロイックプリズム１１０で合成され、ダイクロイックプリズム１１０からフルカラーの映像光ＬＬが出射される。そして、出射された映像光ＬＬは、投射光学系１１２によって拡大されてスクリーン１０１に投射される。

光路シフトデバイス２は、ダイクロイックプリズム１１０と投射光学系１１２との間に配置される。プロジェクター１は、光路シフトデバイス２によって映像光ＬＬの光路をシフトさせること（所謂「画素シフト」を行うこと）により、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂの解像度よりも高い解像度の画像をスクリーン１０１に表示する。例えば、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂがフルハイビジョンであれば、４Ｋの画像を表示する。

ここで、光路シフトによる高解像度化の原理について図２を用いて簡単に説明する。図２は、映像光の光路シフトによる画像表示位置のシフトを示す説明図である。後述するように、光路シフトデバイス２は、映像光ＬＬを透過させる透光性基板であるガラス板３０を有しており、このガラス板３０の姿勢を変更することで、屈折を利用して映像光ＬＬの光路をシフトさせる。

本実施形態では、ガラス板３０を後述する第１揺動軸Ｊ１周りの第１揺動方向、および、第１揺動軸Ｊ１と交差する第２揺動軸Ｊ２周りの第２揺動方向の２方向に揺動させることにより、映像光ＬＬの光路を第１揺動方向に揺動する際の光路のシフト方向である第１方向Ｆ１、および、第２揺動方向に揺動する際の光路のシフト方向である第２方向Ｆ２の２方向にシフトさせる。これにより、スクリーン１０１上に表示される画素Ｐｘは、第１方向Ｆ１および第１方向Ｆ１と交差する第２方向Ｆ２へずらして表示される。

プロジェクター１は、第１方向Ｆ１の光路のシフトと、第２方向Ｆ２の光路のシフトを組み合わせることにより、見かけ上の画素を増加させ、スクリーン１０１に投影される画像を高解像度化することができる。例えば、図２に示すように、映像光ＬＬの光路をシフトさせることにより、第１方向Ｆ１および第２方向Ｆ２にそれぞれ半画素分（すなわち、画素Ｐｘの半分）ずれた位置に画素Ｐｘを移動させる。これにより、スクリーン１０１上の画像表示位置を、画像表示位置Ｐ１から第１方向Ｆ１に半画素分ずらした画像表示位置Ｐ２、画像表示位置Ｐ１から第１方向Ｆ１および第２方向Ｆ２にそれぞれ半画素分ずらした画像表示位置Ｐ３、および、画像表示位置から第２方向Ｆ２に半画素分ずらした画像表示位置Ｐ４にずらすことができる。

図２に示すように、画像表示位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４にそれぞれ一定時間ずつ画像を表示させるように光路シフト動作を行い、光路シフト動作に同期させて液晶表示素子における表示内容を変化させる。これによって、見かけ上、画素Ｐｘより小さいサイズの画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを表示させることができる。例えば、画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの表示を全体として６０Ｈｚの周波数で行う場合には、画像表示位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に対応して、液晶表示素子に４倍の速度で表示を実行させる必要がある。つまり、液晶表示素子における表示の周波数、いわゆるリフレッシュレートは２４０Ｈｚとなる。

なお、図２に示す画素ずらしの例では、第１方向Ｆ１および第２方向Ｆ２は互いに直交する方向であり、第１方向Ｆ１および第２方向Ｆ２は、スクリーン１０１にマトリクス状に表示される画素Ｐｘの配列方向であるが、第１方向Ｆ１と第２方向Ｆ２は直交する方向でなくてもよく、画素Ｐｘの配列方向に対して傾いた方向であってもよい。このようなずらし方向であっても、第１方向Ｆ１および第２方向Ｆ２への画素ずらしを適宜組み合わせることにより、図２に示す画像表示位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に画素Ｐｘを移動させることができる。また、画像表示位置のずれ量は、半画素分に限定されず、例えば、画素Ｐｘの１／４であってもよいし、３／４であってもよい。

図３は、図１のプロジェクター１の電気的な構成を示すブロック図である。プロジェクター１は、制御回路１２０と、駆動信号処理回路１２１と、画像信号処理回路１２２を備える。制御回路１２０は、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂに対するデータ信号の書き込み動作、光路シフトデバイス２における光路シフト動作、画像信号処理回路１２２におけるデータ信号の発生動作等を制御する。駆動信号処理回路１２１は、画像信号処理回路１２２が出力する同期信号ＳＡに基づいて光路シフトデバイス２を駆動する駆動信号ＤＳを供給する。

画像信号処理回路１２２は、図示しない外部装置から供給される画像信号ＶｉｄをＲ、Ｇ、Ｂの３原色ごとに分離するとともに、それぞれの液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂの動作に適したデータ信号Ｒｖ、Ｇｖ、Ｂｖに変換する。そして、変換されたデータ信号Ｒｖ、Ｇｖ、Ｂｖは、それぞれ液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂに供給され、それに基づいて液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂが動作する。

＜光路シフトデバイス＞
図４は、本実施形態に係る光路シフトデバイス２の斜視図である。光路シフトデバイス２は、図１のプロジェクター１において映像光ＬＬの光路をシフトさせるために用いられる。図５は光路シフトデバイス２の平面図および側面図である。光路シフトデバイス２は、ガラス板３０と、ガラス板３０を保持する第１フレーム３１とを備えた矩形の可動部３を備える。光路シフトでデバイス２は、さらに、第１フレーム３１を揺動可能に支持する第２フレーム４と、第２フレーム４を揺動可能に支持するベース部材５と、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７を備える。

ガラス板３０は、光透過性を有する透光性基板であり、映像光ＬＬが入射する光学部材である。可動部３が、ガラス板３０に対する映像光ＬＬの入射角度が０°である位置（以下、基準位置という）にあるとき、ガラス板３０の法線方向はＺ軸方向と一致する。光路シフトデバイス２は、例えば、＋Ｚ側がダイクロイックプリズム１１０側、－Ｚ側が投射光学系１１２側を向くようにプロジェクター１内に配置される。なお、光路シフトデバイス２のＺ軸方向の向きは、この反対であってもよい。

図４、図５に示すように、第１フレーム３１は、ガラス板３０を囲むように設けられる。第１フレーム３１は、Ｘ軸と略平行に延びる第１枠部３２および第２枠部３３と、Ｙ軸と略平行に延びる第３枠部３４および第４枠部３５とを備えた矩形枠状の部材である。第１フレーム３１は、第１枠部３２、第２枠部３３、第３枠部３４、第４枠部３５に囲まれた矩形の第１開口部３６を備える。ガラス板３０は第１開口部３６に配置され、第１枠部３２、第２枠部３３、第３枠部３４、第４枠部３５に固定される。本実施形態では、第１フレーム３１は、ステンレスなどの金属板からなる。第１フレーム３１は、金属板を屈曲させた曲げ構造の部材であるため、板厚が薄い金属板を用いた構造でありながら、必要な強度を確保できる。

第１フレーム３１は、第１軸部３７および第２軸部３８を備える。第１軸部３７は、第３枠部３４のＹ軸方向の中央から＋Ｘ方向へ突出する。また、第２軸部３８は、第４枠部３５のＹ軸方向の中央から－Ｘ方向へ突出する。第１フレーム３１は、第１軸部３７および第２軸部３８によって第２フレーム４に接続される。本実施形態では、第１軸部３７および第２軸部３８は、第１フレーム３１とは反対側の先端が第２枠部３３に重なっており、第２枠部３３に固定される。これにより、第１フレーム３１は、第１軸部３７と第２軸部３８を結ぶ直線である第１揺動軸Ｊ１周りに揺動可能な状態で、第２フレーム４に支持される。第１アクチュエーター６は、第１フレーム３１を第１揺動軸Ｊ１周りに揺動させる。

第１軸部３７と第２軸部３８を結ぶ第１揺動軸Ｊ１は、Ｚ軸方向およびＹ軸方向と直交し、Ｘ軸方向と平行に延びている。本実施形態において、第１フレーム３１、第１軸部３７および第２軸部３８は一体に成形されている。このため、第１軸部３７および第２軸部３８と、第１フレーム３１との境界部分における耐衝撃性や長期信頼性が高い。

第１フレーム３１は、第２枠部３３のＸ軸方向の中央から－Ｙ方向へ突出する突出部３９を備える。突出部３９の先端側には、第１フレーム３１を第１揺動軸Ｊ１周りに回転させる第１アクチュエーター６が配置される。突出部３９は、第１フレーム３１において第１揺動軸Ｊ１から最も離れた部位である。従って、突出部３９を介して第１フレーム３１に第１アクチュエーター６の駆動力を加えることにより、大きなトルクで第１フレーム３１およびガラス板３０を揺動させることができる。これにより、駆動力が小さい第１アクチュエーター６であっても、第１フレーム３１およびガラス板３０を大きなトルクで回転させることができる。よって、第１アクチュエーター６の小型化および軽量化を図ることができ、光路シフトデバイス２の小型化および軽量化を図ることができる。

図４、図５に示すように、第２フレーム４は、第１フレーム３１を囲むように設けられる。第２フレーム４は、第１フレーム３１を囲む第２フレーム本体部４０と、第２フレーム本体部４０から突出する第１突出部４１および第２突出部４２を備える。第２フレーム４は、第２フレーム本体部４０、第１突出部４１、および第２突出部４２を備えた単一の部材である。第２フレーム４において、第１突出部４１の突出方向と第２突出部４２の突出方向は同じ方向である。本実施形態では、第１突出部４１の突出方向と第２突出部４２の突出方向は－Ｙ方向である。

第２フレーム本体部４０は、Ｘ軸と略平行に延びる第１枠部４３と、第１枠部４３の＋Ｘ方向の端部および－Ｘ方向の端部からそれぞれ－Ｙ方向へ略平行に延びる第２枠部４４および第３枠部４５と、第２枠部４４の－Ｙ方向の端部から－Ｘ方向へ延びる第４枠部４６１と、第３枠部４５の－Ｙ方向の端部から＋Ｘ方向へ延びる第５枠部４６２を備える。第２フレーム本体部４０は、第１枠部４３～第５枠部４６２に囲まれた矩形の第２開口部４７を備えており、第２開口部４７に第１フレーム３１が配置される。第１フレーム３１と第２フレーム４とを接続する第１軸部３７と第２軸部３８のうち、第１軸部３７は第２枠部４４に固定される。また、第２軸部３８は第３枠部４５に固定される。

第４枠部４６１と第５枠部４６２は、第２フレーム４のＸ軸方向の中央までは延びておらず、繋がっていない。第４枠部４６１と第５枠部４６２とが対向する隙間には、第１フレーム３１から突出する突出部３９および第１アクチュエーター６が配置される。第１突出部４１は、第４枠部４６１から－Ｙ方向へ突出しており、第１アクチュエーター６の＋Ｘ方向側に配置される。また、第２突出部４２は、第５枠部４６２から－Ｙ方向へ突出しており、第１アクチュエーター６の－Ｘ方向側に配置される。従って、第１アクチュエーター６は、第１突出部４１および第２突出部４２に挟まれる領域に配置される。

第２フレーム４は、第２フレーム４とベース部材５とを接続する第３軸部４８および第４軸部４９を備える。第３軸部４８および第４軸部４９は、第２フレーム本体部４０、第１突出部４１、および第２突出部４２とは別部材からなる。第３軸部４８は、第２フレーム本体部４０の第１枠部４３に固定され、第１枠部４３のＸ軸方向の中央から＋Ｙ方向へ突出する。また、第４軸部４９は、第１突出部４１と第２突出部４２の間に配置され、第１突出部４１および第２突出部４２に固定される。第４軸部４９は、第１突出部４１と第２突出部４２の間に配置される第１アクチュエーター６の－Ｙ方向側に配置される。

第２フレーム４は、第３軸部４８および第４軸部４９によってベース部材５に接続される。すなわち、第３軸部４８の＋Ｙ方向の先端、および、第４軸部４９の－Ｙ方向の先端はベース部材５と重なっており、ベース部材５に固定される。これにより、第２フレーム４は、第３軸部４８と第４軸部４９を結ぶ直線である第２揺動軸Ｊ２周りに揺動可能な状態で、ベース部材５に支持される。第３軸部４８と第４軸部４９を結ぶ第２揺動軸Ｊ２は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向と直交し、Ｙ軸方向と平行に延びている。第２アクチュエーター７は、第２フレーム４を第２揺動軸Ｊ２周りに揺動させる。

第２フレーム４において、第１突出部４１および第２突出部４２は、第２揺動軸Ｊ２を基準として対称に配置される。第１突出部４１および第２突出部４２は、第２アクチュエーター７の駆動力が加えられる部位である。第２アクチュエーター７は、第１突出部４１に設けられる第１振動部７Ａ、および、第２突出部４２に設けられる第２振動部７Ｂを備える。上記のように、第１アクチュエーター６は第１突出部４１と第２突出部４２の間に配置されるので、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７は、いずれも第１フレーム３１およびガラス板３０の－Ｙ方向側に配置される。

後述するように、第１振動部７Ａは、第１磁石７１Ａおよび第１磁石７１Ａに対向配置される第１コイル７２Ａを備える。また、第２振動部７Ｂは、第２磁石７１Ｂおよび第２磁石７１Ｂに対向配置される第２磁石７１Ｂを備える。第２アクチュエーター７の詳細な構成については後述する。

ベース部材５は、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形の板状部材であり、第２フレーム本体部４０が配置される矩形の第３開口部５０を備える。第３開口部５０の－Ｙ方向の内周縁には、－Ｙ方向へ凹む第１凹部５１および第２凹部５２が第２揺動軸Ｊ２を基準として対称に設けられる。第１凹部５１には、第２フレーム４の第１突出部４１および第２アクチュエーター７の第１振動部７Ａが配置される。また、第２凹部５２には、第２フレーム４の第２突出部４２および第２アクチュエーター７の第２振動部７Ｂが配置される。第１凹部５１と第２凹部５２の間には、＋Ｙ方向へ突出する突出部５３が設けられる。第２フレーム４とベース部材５とを接続する第３軸部４８と第４軸部４９のうち、第４軸部４９は、突出部５３に接続される。また、第３軸部４８は、第３開口部５０の＋Ｙ方向の内周縁に設けられた第３凹部５４に配置され、第３凹部５４の縁に接続される。

映像光ＬＬは、例えば、ガラス板３０に対してＺ軸方向に入射する。第１フレーム３１が第１揺動軸Ｊ１周りに揺動すると、ガラス板３０に対する映像光ＬＬの入射角度が変化し、映像光ＬＬの光路が第１方向Ｆ１（図２参照）に移動する。また、第１フレーム３１を保持する第２フレーム４が第２揺動軸Ｊ２周りに揺動すると、第１揺動軸Ｊ１周りに揺動した場合とは異なる方向で、ガラス板３０に対する映像光ＬＬの入射角度が変化し、映像光ＬＬの光路が第２方向Ｆ２（図２参照）に移動する。図４、５に示す例では、第１方向Ｆ１はＹ軸方向であり、第２方向Ｆ２はＸ軸方向である。

ガラス板３０に対する映像光ＬＬの入射角度が０°から傾くことで、入射した映像光ＬＬを屈折させつつ透過させる。従って、目的とする入射角度になるように、ガラス板３０の姿勢を変化させることにより、映像光ＬＬの偏向方向や偏向量を制御できる。なお、このようなガラス板３０の大きさは、ダイクロイックプリズム１１０から出射する映像光ＬＬを透過させるように適宜設定される。また、ガラス板３０は、実質的に無色透明であることが好ましい。また、ガラス板３０の映像光ＬＬの入射面および出射面には反射防止膜が形成されていてもよい。

ガラス板３０の構成材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、白板ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスのような各種ガラス材料を用いることができる。また、本実施形態では、光学部材としてガラス板３０を用いるが、光学部材は、光透過性を有し、映像光ＬＬを屈折させる材料で構成されたものであればよい。すなわち、ガラスの他にも、例えば、水晶、サファイアのような各種結晶材料、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂のような各種樹脂材料等で構成されたものであってもよい。ただし、光学部材としては、本実施形態のようにガラス板３０を用いた場合には、光学部材の剛性を特に大きくできる。従って、光学部材において映像光ＬＬの光路をずらす際の光路のシフト量のばらつきを抑制できる。

なお、第１フレーム３１、第２フレーム４、およびベース部材５を、樹脂または樹脂を含む素材により構成することもできる。

＜第１アクチュエーター＞
図６は、図４の光路シフトデバイス２を第１アクチュエーター６の位置（図５のＡ１－Ａ１位置）で切断した断面図およびその部分拡大図である。第１アクチュエーター６は、互いに対向する第３磁石６１と第３コイル６２を備える振動アクチュエーターである。第３磁石６１と第３コイル６２は、Ｚ軸方向と直交し且つ第１揺動軸Ｊ１と直交する方向に対向する。Ｚ軸方向は、ガラス板３０が基準位置にあるときのガラス板３０の法線方向である。従って、第３磁石６１と第３コイル６２は、ガラス板３０の法線方向および第１揺動軸Ｊ１と直交する方向に対向する。

第１アクチュエーター６は、第３磁石６１が第１フレーム３１に保持され、第３コイル６２がベース部材５に保持される。本実施形態では、第３磁石６１は、磁石保持板６３を介して突出部３９に固定される。また、第３コイル６２は、コイル保持板６４を介してベース部材５の突出部５３に固定される。図６に示すように、第１フレーム３１の突出部３９の先端には、－Ｚ方向に屈曲した屈曲部３９１が設けられる。磁石保持板６３は、屈曲部３９１に固定される。また、コイル保持板６４は、ベース部材５の突出部５３に固定される腕部６４１と、腕部６４１の＋Ｙ方向の先端を＋Ｚ方向へ屈曲させたコイル固定部６４２を備える。コイル固定部６４２は、磁石保持板６３とＹ軸方向に対向する。従って、磁石保持板６３に固定される第３磁石６１と、コイル固定部６４２に固定される第３コイル６２は、所定のギャップをもってＹ軸方向に対向する。

第３コイル６２は長円形状の空芯コイルであり、第１揺動軸Ｊ１と略平行に延びる２本の有効辺６２１、６２２を備える。第３コイル６２は、Ｘ軸方向に延在する２本の有効辺６２１、６２２がＺ軸方向に並ぶように位置決めされてコイル固定部６４２に固定される。

第３磁石６１は、第３コイル６２と対向する対向面にＳ極とＮ極がＺ軸方向に並んでいる。第３磁石６１は永久磁石であり、例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石等を用いることができる。ガラス板３０の法線方向がＺ軸方向と平行になる（すなわち、ガラス板３０への映像光ＬＬの入射角度が０°になる）基準位置にガラス板３０および第１フレーム３１が位置するとき、第１アクチュエーター６は、第３磁石６１のＳ極とＮ極の一方が有効辺６２１と対向し、他方が有効辺６２２と対向する。

第３コイル６２に通電すると、ベース部材５に保持された第３コイル６２に対し、第３磁石６１がＺ軸方向（すなわち、ガラス板３０の表面に交差する方向）に相対移動する。これにより、第３磁石６１を保持する第１フレーム３１に対し、第１揺動軸Ｊ１周りの駆動力が加えられる。第１アクチュエーター６において、磁石保持板６３およびコイル保持板６４は、鉄などの金属からなり、バックヨークとして機能する。従って、漏れ磁束を少なくすることができ、磁気効率を上げることができる。

＜第２アクチュエーター＞
図７は、図４の光路シフトデバイスを第２アクチュエーター７の位置（図５のＢ１－Ｂ１位置）で切断した断面図およびその部分拡大図である。上述したように、第２アクチュエーター７は、第１突出部４１に駆動力を加える第１振動部７Ａ、および、第２突出部４２に駆動力を加える第２振動部７Ｂを備える。第１振動部７Ａは、第１磁石７１Ａおよび第１コイル７２Ａを備えた振動アクチュエーターである。同様に、第２振動部７Ｂは、第２磁石７１Ｂおよび第２コイル７２Ｂを備えた振動アクチュエーターである。

第１磁石７１Ａと第１コイル７２Ａの組、および、第２磁石７１Ｂと第２コイル７２Ｂの組は、いずれも、Ｚ軸方向と直交し且つ第２揺動軸Ｊ２と直交する方向に対向する。従って、第１磁石７１Ａと第１コイル７２Ａの組、および、第２磁石７１Ｂと第２コイル７２Ｂの組は、いずれも、ガラス板３０の法線方向と直交し且つ第２揺動軸Ｊ２と直交する方向に対向する。

第１振動部７Ａは、第１磁石７１Ａが第２フレーム４に保持され、第１コイル７２Ａがベース部材５に保持される。第１磁石７１Ａは、磁石保持板７３Ａを介して第１突出部４１に固定される。また、第１コイル７２Ａは、コイル保持板７４Ａを介してベース部材５に固定される。第１突出部４１は、＋Ｘ方向の端部を－Ｚ方向に屈曲させた屈曲部４１１を備える。磁石保持板７３Ａは、屈曲部４１１に固定される。また、コイル保持板７４Ａは、ベース部材５に固定される腕部７４１と、腕部７４１の－Ｘ方向の端部を＋Ｚ方向へ屈曲させたコイル固定部７４２を備える。コイル固定部７４２は、磁石保持板７３ＡとＸ軸方向に対向する。従って、磁石保持板７３Ａに固定される第１磁石７１Ａと、コイル固定部７４２に固定される第１コイル７２Ａは、所定のギャップをもってＸ軸方向に対向する。

第１コイル７２Ａは長円形状の空芯コイルであり、略平行に並ぶ２本の有効辺７２１、７２２を備える。第１コイル７２Ａは、Ｘ軸方向に延在する２本の有効辺７２１、７２２がＺ軸方向に並ぶように位置決めされてコイル固定部７４２に固定される。

第１磁石７１Ａは、第１コイル７２Ａと対向する対向面にＳ極とＮ極がＺ軸方向に並んでいる。第１磁石７１Ａとしては、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石等を用いることができる。ガラス板３０の法線方向がＺ軸方向と平行になる（すなわち、ガラス板３０への映像光ＬＬの入射角度が０°になる）基準位置に第１フレーム３１およびガラス板３０が位置するとき、第２アクチュエーター７の第１振動部７Ａは、第１磁石７１ＡのＳ極とＮ極の一方が有効辺７２１と対向し、他方が有効辺７２２と対向する。

第１コイル７２Ａに通電すると、ベース部材５に固定された第１コイル７２Ａに対し、第１磁石７１ＡがＺ軸方向（すなわち、ガラス板３０の表面に交差する方向）に相対移動する。これにより、第１磁石７１Ａを保持する第１フレーム３１に対し、第２揺動軸Ｊ２周りの駆動力が加えられる。第１振動部７Ａにおいても、磁石保持板７３Ａおよびコイル保持板７４Ａは、鉄などの金属からなり、バックヨークとして機能する。従って、漏れ磁束を少なくすることができ、磁気効率を上げることができる。

第２振動部７Ｂは、第２揺動軸Ｊ２を基準として第１振動部７Ａと対称に配置される。第２振動部７Ｂは、第２磁石７１Ｂが第２フレーム４に保持され、第２コイル７２Ｂがベース部材５に保持される。第２磁石７１Ｂは、磁石保持板７３Ｂを介して第２突出部４２に固定される。また、第２コイル７２Ｂは、コイル保持板７４Ｂを介してベース部材５に固定される。第２突出部４２には、第１突出部４１と同様に、磁石保持板７３Ｂが固定される屈曲部４２１が設けられる。第２振動部７Ｂは、第１振動部７Ａと同一に構成されているため、第２振動部７Ｂの詳細な説明は省略する。

第１突出部４１および第２突出部４２は、第２フレーム４のＸ軸方向の最大幅より内側の領域に配置される。また、第１振動部７Ａおよび第２振動部７Ｂについても、同様に、第２フレーム４のＸ軸方向の最大幅より内側の領域に配置される。すなわち、第２フレーム本体部４０の第２枠部４４より－Ｘ方向側に第１振動部７Ａおよび第１突出部４１が配置され、第２フレーム本体部４０の第３枠部４５より＋Ｘ方向側に第２振動部７Ｂおよび第２突出部４２が配置される。

本実施形態では、このように、第２フレーム本体部４０のＸ軸方向の最大幅の範囲内に、第１アクチュエーター６と第２アクチュエーター７の両方が収まっている。このように、第１振動部７Ａおよび第２振動部７Ｂを幅方向（Ｘ軸方向）の内側に配置したことにより、光路シフトデバイス２のＸ軸方向の幅寸法を小さくすることができる。また、重量の大きい部材である第１磁石７１Ａおよび第２磁石７１Ｂを幅方向の内側に寄せて配置できるため、第２フレーム４を揺動させる際のイナーシャを小さくすることができる。

＜光路シフトデバイスの駆動制御＞
光路シフトデバイス２は、駆動信号処理回路１２１から第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７へ供給される駆動信号ＤＳにより、可動部３を第１揺動軸Ｊ１周りの第１揺動方向、および、第２揺動軸Ｊ２周りの第２揺動方向の２方向に揺動させる。各アクチュエーターでは、駆動信号ＤＳに基づいて第１コイル７２Ａ、第２コイル７２Ｂ、および第３コイル６２に電流が流れる。その結果、可動部３は、第１揺動方向の揺動、および、第２揺動方向の揺動を組み合わせた光路シフト動作を駆動信号ＤＳに応じた周波数で行う。これにより、プロジェクター１では、映像光ＬＬの光路が変化し、駆動信号ＤＳに応じた周波数で、画像表示位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に画像が表示される。

第２アクチュエーター７を駆動する際、第１コイル７２Ａと第２コイル７２Ｂに同期して通電する。その際に、第１コイル７２Ａと第２コイル７２Ｂに流れる電流の向きを、第１振動部７Ａにおける第１磁石７１Ａの移動方向と、第２振動部７Ｂにおける第２磁石７１Ｂの移動方向とがＺ軸方向で逆向きとなるように制御する。これにより、第１振動部７Ａから第２フレーム４に加わる力と、第２振動部７Ｂから第２フレーム４に加わる力が第２揺動軸Ｊ２周りで同じ回転方向の力として作用する。

＜本形態の主な作用効果＞
以上のように、本実施形態の光路シフトデバイス２は、入射光が入射するガラス板３０と、ガラス板３０を保持する第１フレーム３１と、第１フレーム３１を第１揺動軸Ｊ１周りに揺動可能な状態で支持する第２フレーム４と、第２フレーム４を第１揺動軸Ｊ１と交差する第２揺動軸Ｊ２周りに揺動可能な状態で支持するベース部材５と、第１フレーム３１を第１揺動軸Ｊ１周りに揺動させる第１アクチュエーター６と、第２フレーム４を第２揺動軸Ｊ２周りに揺動させる第２アクチュエーター７と、を備える。そして、第１フレーム３１および第２フレーム４を揺動させることによって、ガラス板３０への入射光の入射角度を変化させて、入射光の光路を第１方向Ｆ１および第１方向Ｆ１と交差する第２方向Ｆ２にずらす光路シフト動作を行う。

このように、本実施形態では、ガラス板３０を保持する第１フレーム３１を第１揺動軸Ｊ１周りに揺動させるたけでなく、第１フレーム３１およびガラス板３０を第２フレーム４ごと第２揺動軸Ｊ２周りに揺動させることができる。従って、ガラス板３０へ入射する入射光の光路を互いに交差する２方向にシフトさせることが可能な光路シフトデバイス２を実現できる。

従って、本実施形態の光路シフトデバイス２は、プロジェクター１などの画像表示装置において、映像光ＬＬの光路に光路シフトデバイス２を配置して、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７を駆動して映像光ＬＬの光路を変化させるために用いることができる。この場合には、映像光ＬＬを投写したスクリーン１０１に表示される画素Ｐｘを互いに交差する２方向へずらすことができる。これにより、画素ずらし方向の自由度が高まるので、１方向のみに画素Ｐｘをずらす場合と比較して、スクリーン１０１に表示される画像をさらに高解像度化することができる。例えば、本実施形態のように画素Ｐｘを任意の数に分割して、各分割位置に対応する画像表示位置への画素シフトを行うことができる。従って、高解像度化を図ることができる。

本実施形態では、光源１０２と、光源１０２から照射される光を画素毎に変調する光変調装置である液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂと、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂにより変調された光を拡大投射する投射光学系１１２と、を備えたプロジェクター１（画像表示装置）において、光路シフトデバイス２は、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂと投射光学系１１２との間に配置される。このように、投射光学系１１２の手前で映像光ＬＬの光路をずらすことにより、小型の光路シフトデバイス２を用いて光路シフトを実現できる。従って、プロジェクター１（画像表示装置）を小型化できる。

本実施形態では、第１フレーム３１は透光性基板であるガラス板３０を囲むように設けられ、第２フレーム４は第１フレーム３１を囲むように設けられる。従って、第１フレーム３１は、ガラス板３０を安定した状態で保持できる。また、第１フレーム３１を揺動可能に支持させるための支持構造、および、第１フレーム３１ごと第２フレーム４を揺動可能に支持させるための支持構造を容易に設けることができる。例えば、本実施形態では、第１フレーム３１は、第１軸部３７および第２軸部３８を有し、第１フレーム３１は、第１軸部３７および第２軸部３８によって第２フレーム４に接続され、第１揺動軸Ｊ１は、第１軸部３７と第２軸部３８を結ぶ直線である。同様に、第２フレーム４は、第３軸部４８および第４軸部４９を有し、第２フレーム４は、第３軸部４８および第４軸部４９によってベース部材５に接続され、第２揺動軸Ｊ２は、第３軸部４８と第４軸部４９を結ぶ直線である。このような構成により、第１フレーム３１を第１揺動軸Ｊ１周りに揺動可能に支持できる。また、第２フレーム４を第１揺動軸Ｊ１と交差する第２揺動軸Ｊ２周りに揺動可能に支持できる。

本実施形態では、第２フレーム４は、第１フレーム３１を囲む第２フレーム本体部４０と、第２フレーム本体部４０から突出する第１突出部４１および第２突出部４２を有し、第１突出部４１の突出方向と第２突出部４２の突出方向は同一方向（－Ｙ方向）である。また、第２アクチュエーター７は、第１振動部７Ａと第２振動部７Ｂとを有し、第１振動部７Ａは第１突出部４１に設けられ、第２振動部７Ｂは第２突出部４２に設けられる。さらに、第１アクチュエーター６は、第１突出部４１と第２突出部４２とに挟まれた領域に配置される。

このように、第１フレーム３１に対して同じ側に第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７をまとめて配置することにより、狭い領域にアクチュエーターを配置できるので、光路シフトデバイス２の小型化を図ることができる。また、狭い領域にアクチュエーター用の配線を集約できるため。配線を容易に引き回すことができる。さらに、アクチュエーターを冷却するクーリング機構を設ける場合には、広い領域に冷却風を送る必要がないので、冷却効率が良い。クーリングを行う場合には、コイルの自己発熱およびコイルからの発熱による磁石の磁気特性の変化を抑制できるため、精度良く光路シフト動作を行うことができる。

本実施形態では、第１振動部７Ａは、第１突出部４１に固定された第１磁石７１Ａと、第１磁石７１Ａに対向配置され、ベース部材５に固定された第１コイル７２Ａとを含み、第２振動部７Ｂは、第２突出部４２に固定された第２磁石７１Ｂと、第２磁石７１Ｂに対向配置され、ベース部材５に固定された第２コイル７２Ｂとを含む。同様に、第１アクチュエーター６は、第３磁石６１と第３コイル６２とを含み、第３コイル６２はベース部材５に固定され、第３磁石６１は第１フレーム３１に固定される。このように、磁石とコイルとを対向させてコイルへの通電によって磁石を移動させる振動アクチュエーターを用いることにより、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７を小型で簡素な構成にすることができる。また、可動側でなく固定側に各コイルを配置するので、可動側に配線を引き回す必要がなく、各コイルへの配線の接続が容易である。

本実施形態では、第１磁石７１Ａの移動方向、第２磁石７１Ｂの移動方向、および、第３磁石と第３コイルとが相対移動する方向は、いずれも、ガラス板３０の表面に交差する方向である。従って、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７は、いずれも、ガラス板３０を揺動させる際、磁石とコイルとのギャップが変化しないか、あるいは、ギャップの変化が小さい。従って、コイルが磁石に吸着されて動かなくなってしまう事態を回避できる。また、磁石とコイルとの干渉や吸着を避けるために磁石とコイルとのギャップを大きくする必要がない。このため、必要な駆動力を得るための磁石のサイズを小さくすることができ、部品コストを下げることができる。また、部品サイズを小さくすることにより、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７の小型化および軽量化を図ることができる。

本実施形態では、第１アクチュエーター６は、バックヨークとして機能する磁石保持板６３およびコイル保持板６４を備える。また、第２アクチュエーター７は、第１振動部７Ａがバックヨークとして機能する磁石保持板７３Ａおよびコイル保持板７４Ａを備え、第２振動部７Ｂがバックヨークとして機能する磁石保持板７３Ｂおよびコイル保持板７４Ｂを備える。従って、磁気効率を向上させることができるので、各アクチュエーター６、７が備える磁石を小さくすることができる。これにより、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７の小型化および軽量化を図ることができる。また、部品コストを下げることができる。

＜変形例＞
上記実施形態では、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７は、いずれも、可動側に磁石が保持され、固定側にコイルが保持されているが、可動側にコイルが保持され、固定側に磁石が保持される構成を採用することもできる。

上記実施形態は、第１アクチュエーター６および第２アクチュエーター７として、磁石とコイルを対向させてローレンツ力により駆動力を発生させる振動アクチュエーターを用いるものであったが、他の原理で動作するアクチュエーターを用いることもできる。例えば、ピエゾアクチュエーターを採用することができる。

１…プロジェクター、２…光路シフトデバイス、３…可動部、４…第２フレーム、５…ベース部材、６…第１アクチュエーター、７…第２アクチュエーター、７Ａ…第１振動部、７Ｂ…第２振動部、３０…ガラス板、３１…第１フレーム、３２…第１枠部、３３…第２枠部、３４…第３枠部、３５…第４枠部、３６…第１開口部、３７…第１軸部、３８…第２軸部、３９…突出部、４０…第２フレーム本体部、４１…第１突出部、４２…第２突出部、４３…第１枠部、４４…第２枠部、４５…第３枠部、４７…第２開口部、４８…第３軸部、４９…第４軸部、５０…第３開口部、５１…第１凹部、５２…第２凹部、５３…突出部、５４…第３凹部、６１…第３磁石、６２…第３コイル、６３…磁石保持板、６４…コイル保持板、７１Ａ…第１磁石、７１Ｂ…第２磁石、７２Ａ…第１コイル、７２Ｂ…第２コイル、７３Ａ、７３Ｂ…磁石保持板、７４Ａ、７４Ｂ…コイル保持板、１０１…スクリーン、１０２…光源、１０４ａ、１０４ｂ…ミラー、１０６ａ、１０６ｂ…ダイクロイックミラー、１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂ…液晶表示素子、１１０…ダイクロイックプリズム、１１２…投射光学系、１２０…制御回路、１２１…駆動信号処理回路、１２２…画像信号処理回路、３９１…屈曲部、４１１、４２１…屈曲部、４６１…第４枠部、４６２…第５枠部、６２１、６２２…有効辺、６４１…腕部、６４２…コイル固定部、７２１、７２２…有効辺、７４１…腕部、７４２…コイル固定部、ＤＳ…駆動信号、Ｆ１…第１方向、Ｆ２…第２方向、Ｊ１…第１揺動軸、Ｊ２…第２揺動軸、ＬＬ…映像光、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４…画像表示位置、Ｐｘ…画素、Ｒｖ、Ｇｖ、Ｂｖ…データ信号、ＳＡ…同期信号、Ｖｉｄ…画像信号。

Claims (7)

1. 入射光が入射する光学部材と、
   前記光学部材を保持する第１フレームと、
   前記第１フレームを第１揺動軸周りに揺動可能な状態で支持する第２フレームと、
   前記第２フレームを前記第１揺動軸と交差する第２揺動軸周りに揺動可能な状態で支持
   するベース部材と、
   前記第１フレームを前記第１揺動軸周りに揺動させる第１アクチュエーターと、
   前記第２フレームを前記第２揺動軸周りに揺動させる第２アクチュエーターと、を備え
   、
   前記第１フレームおよび前記第２フレームを揺動させることによって、前記光学部材へ
   の前記入射光の入射角度を変化させて、前記入射光の光路を第１方向および前記第１方向
   と交差する第２方向にずらし、
   前記第２フレームは、前記第１フレームを囲む第２フレーム本体部と、前記第２フレー
   ム本体部から突出する第１突出部および第２突出部を有し、
   第１突出部の突出方向と第２突出部の突出方向は同じ方向であり、
   前記第２アクチュエーターは、第１振動部と第２振動部とを有し、
   前記第２アクチュエーターの前記第１振動部は、前記第１突出部に設けられ、
   前記第２アクチュエーターの前記第２振動部は、前記第２突出部に設けられ、
   前記第１アクチュエーターは、前記第１突出部と前記第２突出部とに挟まれた領域に配
   置され、前記第１アクチュエーターおよび前記第２アクチュエーターは、前記第１フレー
   ムに対して同じ側に配置され、
   前記第２アクチュエーターの前記第１振動部は、第１突出部に固定されバックヨークと
   して機能する磁石保持板に固定された第１磁石と、前記ベース部材に固定されバックヨー
   クとして機能するコイル保持板に固定された第１コイルを有し、
   前記第２アクチュエーターの前記第２振動部は、前記第２突出部に固定されバックヨー
   クとして機能する磁石保持板に固定された第２磁石と、前記ベース部材に固定されバック
   ヨークとして機能するコイル保持板に固定された第２コイルを有し、
   前記第１アクチュエーターは、前記第１フレームに固定されバックヨークとして機能す
   る磁石保持板に固定された第３磁石と、前記ベース部材に固定されバックヨークとして機
   能するコイル保持板に固定された第３コイルを有する、ことを特徴とする光路シフトデバ
   イス。
2. 前記光学部材は透光性基板であり、
   前記第１フレームは前記透光性基板を囲むように設けられ、前記第２フレームは前記第
   １フレームを囲むように設けられることを特徴とする請求項１に記載の光路シフトデバイ
   ス。
3. 前記第１フレームは、第１軸部および第２軸部を有し、
   前記第１フレームは、前記第１軸部および前記第２軸部によって前記第２フレームに接
   続され、
   前記第１揺動軸は、前記第１軸部と前記第２軸部を結ぶ直線であることを特徴とする請
   求項１に記載の光路シフトデバイス。
4. 前記第１磁石の移動方向、前記第２磁石の移動方向、および、前記第３磁石と前記第３
   コイルとが相対移動する方向は、いずれも、前記光学部材の表面に交差する方向であるこ
   とを特徴とする請求項１から３に記載の光路シフトデバイス。
5. 前記第１揺動軸と前記第２揺動軸を含む平面に、前記第１磁石と前記第１コイルおよび
   前記第２磁石と前記第２コイルが配置されることを特徴とする請求項１から４の何れか一
   項に記載の光路シフトデバイス。
6. 映像光の光路に配置された請求項１から５の何れか一項に記載の光路シフトデバイスを
   備え、前記第１アクチュエーターおよび前記第２アクチュエーターを駆動して前記映像光
   の光路を変化させることを特徴とする画像表示装置。
7. 光源と、
   前記光源から照射される光を画素毎に変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を拡大投射する投射光学系と、を備え、
   前記光路シフトデバイスは、前記光変調装置と前記投射光学系との間に配置されること
   を特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。

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